第15章机械系统的方案设计

◆掌握机构选型的基本知识和机构运动循环图的基本概念；◆掌握简单机构运动方案设计的步骤和方法；◆了解产品设计过程和机械总体方案设计的内容；◆了解机械执行系统方案设计的过程和内容；◆了解常用原动机的类型和特点及其选取原则；◆了解拟定简单机械传动系统方案的过程。本章基本要求第15章机械系统的方案设计◆机械总体方案的设计◆机械执行系统的方案设计◆机械传动系统的方案设计和原动机的选择本章主要内容本章难点本章重点机构选型的基本知识和机构运动方案设计的方法。机械运动方案的拟定过程。1.机械产品设计的一般过程◆初期规划设计阶段◆总体方案设计阶段◆结构技术设计阶段◆生产施工设计阶段机械产品设计是一个通过分析、综合与创新获得满足某些特定要求和功能的机械系统的过程。15.1机械总体方案的设计机械新产品的开发设计过程一般分为四个阶段：（1）初期规划设计阶段◆选题◆调研和预测◆可行性论证◆确定设计任务阶段成果：调研报告设计任务书产品开发可行性论证报告（2）总体方案设计阶段◆目标分析◆创新构思◆方案拟定◆方案评价◆方案决策总体方案示意图机械系统运动简图方案设计计算说明书阶段成果：（3）结构技术设计阶段◆结构方案拟定◆造型设计◆结构设计◆材料选择与尺寸设计◆设计图绘制阶段成果：全套设计图纸设计计算说明书（4）生产施工设计阶段◆工艺设计◆工装设计◆施工设计阶段成果工艺流程卡片、工装设计图基础安装图、技术文件使用说明书、备件明细表2.机械总体方案设计的目的和内容总体方案设计阶段的工作是实现机械产品初期规划阶段所提出的设计目标的关键。产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。（1）总体方案设计的目的2.总体方案设计的内容★执行系统的方案设计。主要包括执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。★原动机类型的选择和传动系统的方案设计。其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。★信息处理控制系统的方案设计。★其它辅助系统的设计。主要包括润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等的设计。系统是指具有特定功能、相互之间既有有机联系又相互制约的单元组合而成的有序整体。3.机械系统总体方案设计中的设计思想（1）现代设计的观念7个特点：理论性、创造性、广义性、优选性、扩展性、设计计算机化、设计信息化。（2）系统工程的观念一般机械系统都是由原动机、传动系统、执行系统和控制系统等若干个子系统组成，而每一个子系统又由若干个更低一级的子系统或组合单元组成。从系统工程的角度来看，各子系统虽具有各自特定的功能，但由于是为了共同实现整个系统的整体目标，因而各子系统间是有机联系在一起、相互之间既有依赖作用又有制约作用的。系统工程解决设计问题的基本思想：首先从系统的整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元；然后寻找出能完成各个功能的技术方案，再把各个技术方案组成方案组，进行分析、评价和优选，进而实现给定环境条件下的整体优化。1.执行系统方案设计的过程和内容15.2机械执行系统的方案设计（1）功能原理设计：根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。例如：设计一个齿轮加工设备，可以选择仿形原理，也可以选择范成原理。原理不同，其工艺动作也就不同。执行系统方案设计框图执行系统方案设计的内容包括以下7个方面：（2）运动规律设计是指为实现上述工作原理而决定选择何种运动规律。例如：同是采用范成法原理加工齿轮，可以选择插齿机床的方法，也可以选择滚齿机床的方法。即实现同一工作原理，可以选用不同的运动规律，运动规律不同，设计出来的械也就不同。（3）执行机构型式设计是指究竟选择何种机构来实现上述运动规律。例如：为了实现刀具的上下往复运动，既可以采用齿轮齿条机构、螺旋机构，也要以采用曲柄滑块机构、凸轮机构；还可以通过机构组合或机构变异创造发明新的机构。机构型式设计直接影响到机构的使用效果、繁简程度和可靠性等。（4）执行系统的协调设计就是根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调和配合，设计出协调配合图。即机构的运动循环图。如果各个机构动作不协调，就会破坏机械的整个工作过程，达不到工作要求，甚至会损坏机件和产品，造成生产和人身事故。（5）机构尺度设计是指对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图。（6）运动和动力分析即对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验其是否满足运动要求和动力性能方面的要求。（7）方案评价与决策方案评价包括定性评价和定量评价。前者是指对结构的繁简、尺寸的大小、加工的难易等进行评价，后者是指将运动和动力分析后所得的执行系统的具体性能与使用要求所规定的预期性能进行比较，从而对设计方案作出评价。实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理；实现同一种工作原理，可以选择不同的运动规律；实现同一种运动规律，可以选择不同型式的机构。获得多种不同的方案给定某种预期功能要求机械执行系统方案设计所要研究的问题，就是如何合理地利用设计者的专业知识和分析能力，创造性地构思出各种可能的方案并从中选出最佳方案。机械预期实现的功能功能原理摩擦传动原理流体传动原理电磁传动原理机械推拉原理材料变形原理光电原理其它原理机械执行系统方案设计流程图工艺动作分解方法1工艺动作分解方法2工艺动作分解方法3工艺动作分解方法n……运动规律机构型式连杆机构凸轮机构其它机构机构组合结构变异2.执行系统的功能原理设计（1）功能原理的构思与选择功能原理设计的任务就是根据机构预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，加以分析比较，并根据使用要求或工艺要求，从中选择出既能很好地满足功能要求、工艺动作又简单的工作原理。例如：螺栓上的螺纹加工，可以采用车削加工原理，也可以采用套丝工作原理，还可以采用滚压工作原理。不同的螺纹加工原理适用于不同场合，满足不同的加工需要，其执行系统的运动方案也各不相同。2.功能原理的创造性常用的方法有：分析综合法、思维扩展法、还原创新法。分析综合法：把机构预期实现的功能要求分解为各种分功能，然且分别加以研究，分析其本质，进行各分功能原理设计，最后把这些分功能原理综合起来，组成一个新的系统。思维扩展法：从传统的定式思维转向发散思维例如：挖土机挖湿土，由设计清扫机构到采用一种与粘土摩擦系数小的材料作挖斗的表面材料。还原创新法：跳出自己已有的创造起点，重新返回到创造的原点，构思新的功能原理。例如：缝纫机，模仿人手穿针引线的动作，不能成功，返回到原点，采用摆梭使底线绕过面线将布料夹紧的工作原理，获得成功。3.执行系统运动规律设计（1）工艺动作分解和运动方案选择运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不相同。例如：设计一台加工内孔的机床，所依据的是刀具与工件间相对运动的原理。可以采用四种方法，第一种，车床方案；第二种，镗床方案；第三种，钻床方案；第四种，拉床方案。车床方案：工件作连续等速转动，刀具作纵向等速移动，并作径向进给运动。适用于加工小的圆柱形工件。镗床方案：工件固定不动，刀具既绕被加工孔的中心孔转动，又作纵向进给运动，还要作径向调整运动。适用于加工尺寸大且外形复杂的工件。钻床方案：工件固定不动，采用不同尺寸的专用工具——钻头或铰刀等，使刀具作等速转动并综合利用纵向送进运动。工艺动作简化了，但带来了刀具的复杂化，且加工大孔有困难。拉床方案：工件和刀具均不转动，而只让刀具作直线运动。动作最简单，生产效率高，但所需拉力大，刀具价格贵，拉削大零件和长孔时有困难。（2）运动规律设计的创造性最常用的是仿生法，即模仿人或动物的动作将工艺动作进行分解，构思出一实现某一预定工作原理的运动规律。例如挖土机设计就是仿生法。思维扩展法仍是一个重要的创新方法。例如，要设计一个分选不同直径的钢珠的装置，为了避免设计各种钢珠的测量工具，使钢珠沿着两个斜放的不等距棒条滚动，当钢珠沿棒条移动时，小一些的钢珠由于棒条夹不住而靠自重先行落下，大一些的钢珠可多移动一段距离。钢珠落下的先后次序与其直径大小成比例，设计者只需设计一个输送钢珠的动作即可达到钢珠尺寸分级的目的。4.执行机构的型式设计（1）执行机构型式设计的原则1)满足执行构件的工艺动作和运动要求。2)尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构。3)尽量减小机构的尺寸。4)选择合适的运动副形式。5)考虑动力源的形式。6)使执行系统具有良好的传力条件和动力特性。7)使机械具有调节某些运动参数的能力。8)保证机械的安全运转。（2）机构的选型1)按照执行构件所需的运动特性进行机构选型。2)按照动作功能分解与组合原理进行机构选型。（3）机构的构型扩展法：以基本机构为生长点，在其上联接若干基本杆组，构筑出新的机构型式。组合法：将几种基本机构以适当的方式组合起来，实现基本机构不易实现的运动或动力特性。变异法：通过改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、更换机架或原动件、增加辅助构件等方法以获得新的机构或特性。（1）执行系统协调设计的原则1)满足各执行机构动作先后的顺序性要求。2)满足各执行机械动作在时间上的同步性要求。3)满足各执行机构在空间布置上的协调性要求。4)满足各执行机构操作上的协同性要求。5)各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率。6)各执行机构的布置要用利于系统的能量协调和效率的提高。5.执行系统的协调设计（2）执行系统协调设计的方法1)确定机械的工作循环周期。2)确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间。3)确定各执行构件动作间的协调配合关系。（3）机械循环图用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称为机构的运动循环图。运动循环图的形式：直线式、圆周式、直角坐标式。运动循环图的功能：保证各执行构件的动作相互协调、紧密配合，使机械顺利实现预期的工艺动作。直线式：将机构在1个运动循环中各执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序，按比例绘制在直线坐标轴上。特点：绘制方法简单，能清楚地表示出1个运动循环内各执行构件运动的相互顺序和时间关系，直观性较差，不能显示各执行构件运动规律。圆周式：以极坐标系原点O为圆心作若干个同心圆环，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环分别引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置。特点：能比较直观地看出各执行机构的设计、安装和调试。当执行机构数目较多时，由于同心圆环太多不能一目了然，也无法显示各执行构件的运动规律。直角坐标式：用横坐标轴表示机械主轴或分配轴转角，以纵坐标轴表示各执行构件的角位移或线位移，为简明起见，各区段之间均用直线连接。特点：不仅能清楚地表示出各执行构件动作的先后顺序，而且能表示出各执行构件在各区段的运动规律。对指导各执行机构的几何尺寸设计非常便利。（1）方案评价的意义6.方案评价与决策机械系统方案设计的过程，就是一个先通过分析、综合，使待选方案数目由少变多，再通过评价、决策，使待选方案数目由多变少，最后获得满意方案的过程。建立合理的评价指标，才能使评价结果客观、合理。评价指标包括两方面：其一是定性的评价指标，常指设计的目标；其二是定量的评价指标，常指设计的定量指标。2.评价指标和评价体系评价体系是指通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。机械系统设计方案的优劣，通常应从技术、经济、安全可靠三方面予以评价。主要考虑技术方面的指标。3.评价方法简介（1）经验性的概略评价法：请多名有经验的专家根据经验采用排队法或排除法直接评价。当设计问题不是很复杂或评价指标十分具体时，可使用这种方法。（2）计算性的数学分析评价法：运用数学工具进行分析、推导和计算，得到定量的评价参数。常用的方法有评分法、技术-经济评价法和模糊评价法等。评分法：它是针对评价目标中的各个项目，选择一定的评分标准和总分计分法对方案的优劣进行定量评价。技术-